基于51單片機(jī)控制的熱源自動測試儀

1　測試儀器系統(tǒng)組成與工作原理

　　本測試儀器的工作原理圖如圖1所示，對多點(diǎn)測試的熱源數(shù)據(jù)經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，送入儀器放大器實(shí)現(xiàn)差值放大后，用V/F轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換成一定頻率的脈沖信號，送入8051單片機(jī)的T0口，T0為計(jì)數(shù)器，T1作為定時(shí)器，在定時(shí)時(shí)間內(nèi)接受脈沖信號，通過V/F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了高精度的A/D轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)據(jù)送入8051進(jìn)行分析處理，配合輸入與顯示模塊電路完成多點(diǎn)溫度的顯示、監(jiān)測、預(yù)警和打印等功能。

　　為了保證儀器測溫的精度、穩(wěn)定性和線性度等指標(biāo)，在硬件上主要采取了2個(gè)方面的措施。一方面是選擇合適的溫度傳感器，溫度傳感器的參數(shù)性能，是整機(jī)性能能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵。作為計(jì)量儀器不宜選用一般的PN結(jié)溫度傳感器，因?yàn)槠錅y溫精度、穩(wěn)定性、線性度和一致性都相對較差，不能滿足設(shè)計(jì)的要求。這里選用了集成溫 度傳感器AD590KH，其測溫精度為0．1℃，測溫分辨率為0．01℃，非線性度在0～150℃范圍小于0．5％，其參數(shù)性能保證了現(xiàn)場采集的熱源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓信號后的數(shù)據(jù)精度、穩(wěn)定性和線性度均高于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。此外，集成溫度傳感器AD590具有一致性較好特點(diǎn)，用戶在儀器使用一定時(shí)間后，可方便地自行更換探頭。另一方面，在信號選擇、傳送、放大和A/D轉(zhuǎn)換的過程中，不可避免地要引入一些干擾，使數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的誤差。為了確保儀器整機(jī)性能指標(biāo)符合計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，對儀器前向通道的結(jié)構(gòu)，器件性能參數(shù)指標(biāo)的選擇上都提出了較高的要求，在軟件設(shè)計(jì)上，采用了數(shù)字濾波與線性軟件校正等手段。

　　如圖1所示，30路溫度傳感器AD590KH經(jīng)2片模擬開關(guān)4067構(gòu)成30選1的熱源數(shù)據(jù)選擇器，通過8051單片機(jī)的P1口的P1．0～P1．4編程控制30路信號的通斷，使30路熱源數(shù)據(jù)依次送入儀器放大器AD524，逐一實(shí)現(xiàn)差值放大。

　　儀器設(shè)計(jì)要求測溫分辨率為0．01℃，測溫范圍為30～40℃，放大器輸出電壓范圍為0～10 V。由于系統(tǒng)對測溫參數(shù)性能要求很高，為了達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，放大器采取對信號進(jìn)行差值放大，差值放大的增益越高，儀器測溫輸出結(jié)果的分辨率和靈敏度就越高，這里把AD524的增益設(shè)定為100倍。把30℃溫度的測溫電壓值作為高性能基準(zhǔn)電壓源LM399的基準(zhǔn)電壓值Vr接到儀器放大器AD524的反相輸入端，作為測溫零刻度參考點(diǎn)(LM399的零漂和失調(diào)電壓均小于5 PPM/℃)，儀器放大器同相端接實(shí)際現(xiàn)場測器輸入電壓變化為10 mV，輸出電壓變化為1 V；溫度每變化0．1℃，儀器放大器輸入電壓變化為1 mV，輸出電壓變化為100 mV；溫度每變化0．01℃，儀器放大器輸入電壓變化為0．1 mV，輸出電壓變化為10 mV。

　　作為一個(gè)高性能的計(jì)量儀器，對放大器增益的穩(wěn)定性、失調(diào)電壓、零漂和非線性失真等參數(shù)要求極高，不宜于選用一般精度的運(yùn)放作為放大器，否則可能由于運(yùn)放對信號放大這一環(huán)節(jié)帶來的誤差，使儀器的參數(shù)指標(biāo)性能下降，達(dá)不到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。本儀器選用了高性能參數(shù)的AD524作為儀器放大器，AD524的零漂、失調(diào)電壓和非線性失真等參數(shù)指標(biāo)值極小，使AD524在放大信號過程中產(chǎn)生的誤差，在本儀器所要求性能參數(shù)的數(shù)量級上可忽略不計(jì)。

2　V/F轉(zhuǎn)換

　　系統(tǒng)使用LM331作為V/F轉(zhuǎn)換器，把AD524輸出的0～10 V電壓，轉(zhuǎn)換成0～100 kHz頻率的脈沖信號，送入8051單片機(jī)的T0口。測量溫度數(shù)據(jù)與V/F轉(zhuǎn)換后的脈沖信號頻率成線性正比關(guān)系，溫度越高，儀器放大器輸出的電壓越高，V/F轉(zhuǎn)換器輸出的頻率值越高。溫度為0℃時(shí)，儀器放大器輸出的電壓為0 V，V/F轉(zhuǎn)換后的頻率值為0 kHz；溫度為40℃時(shí)，儀器放大器輸出的電壓為10 V，V/F轉(zhuǎn)換后的頻率值為100 kHz。用V/F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，消除了轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在送入單片機(jī)過程中的干擾，并且通過調(diào)整T1口的定時(shí)時(shí)間，改變T0口計(jì)數(shù)器接受脈沖的數(shù)量，可改變A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)。本系統(tǒng)把T1口的定時(shí)時(shí)間設(shè)定為100 ms，使V/F轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于14 b的A/D轉(zhuǎn)換器。通過增大T1口的定時(shí)時(shí)間，提高了A/D轉(zhuǎn)換的位 數(shù)，進(jìn)而提高了系統(tǒng)測溫?cái)?shù)據(jù)的精度和分辨率。為了更好地改善儀器性能，把定時(shí)時(shí)間T1增大n倍(n為正整數(shù))，將T0口接受的脈沖數(shù)據(jù)除以n，以實(shí)現(xiàn)軟件濾波。

此外，本測試儀配有鍵盤輸入及液晶顯示模塊，使得儀器配置完善，用戶操作方便可靠。

3　系統(tǒng)軟件

　　測溫系統(tǒng)軟件用MCS-51系列匯編語言編制。圖2是系統(tǒng)軟件的程序流程圖

4　結(jié)　語

　　實(shí)踐表明，基于上述思路構(gòu)建的測試系統(tǒng)是正確的、可行的，近半年的時(shí)間研制出了該儀器，并使其在以后的穩(wěn)定運(yùn)行中滿足了設(shè)計(jì)要求。在系統(tǒng)允許一個(gè)探頭測量溫度數(shù)據(jù)時(shí)間為幾秒時(shí)，使用V/F轉(zhuǎn)換器，既可以降低儀器成本，又提高了系統(tǒng)性能。

參考文獻(xiàn)

［1］何立民．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)配置與接口技術(shù)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990．
［2］李朝青．單片機(jī)原理與接口技術(shù)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001．